22. Выбор конфигурации и определение размеров

ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

В общем случае конструкция зубчатых колес состоит из следующих основных элементов (рис. 22.1): ступицы, диска, обода и зубчатого венца.

Рис. 22.1. Основные элементы зубчатого колеса:

1 – ступица; 2 – диск; 3 – обод; 4 – зубчатый венец

Ступица колеса может выступать (рис. 22.1, а) и не выступать (рис. 22.1, б) за осевые габариты его зубчатого венца. Ступица, не выступающая за зубчатый венец, позволяет нарезать зубья “пакетом” (одновременно у двух и более зубчатых колес). Это значительно повышает производительность зубонарезания, что особенно целесообразно при крупносерийном и массовом типах производства зубчатых колес.

Конфигурация зубчатых колес в большинстве случаев определяется технологическими соображениями, главным образом, способом получения их заготовок. В свою очередь, способ получения заготовок выбирают с учетом масштаба производства, а также размеров колес и их материала.

Заготовки для стальных зубчатых колес получают из круглого проката, ковкой, штамповкой, литьем и сваркой.

При единичном и мелкосерийном (N  50 шт/год) масштабах производства зубчатые колеса с наружным диаметром d_а  150 мм получают из проката, вследствие чего они имеют конфигурацию, показанную на

рис. 22.2, а.

Для изготовления зубчатых колес с наружными диаметрами 150  d_a  600 мм применяются заготовки в виде дисков, полученных свободной ковкой, а с целью снижения трудоемкости механической обработки их базовых поверхностей, на торцах таких колес выполняют небольшие проточки (рис. 22.2, б).

Рис. 22.2. Конфигурация колес, получаемых из проката и свободной ковкой:

а – имеющих наружный диаметр d_a  150 мм; б – если 150  d_a  600 мм

Размеры конструктивных элементов колес, изготавливаемых из заготовок рассматриваемых видов, согласно данным [2, с. 281], определяют по следующим зависимостям:

 диаметр ступицы d _cт = (1,6...1,7) d_в , где числовой коэффициент 1,6 назначают при прессовых и шлицевых соединениях ступицы с валом, а

1,7 – для шпоночных соединений;

d _в – диаметр вала в месте установки колеса;

 длина ступицы l _ст = (0,8...1,5) d _в,

где коэффициент 0,8 принимают при прессовых соединениях;

 толщина обода ₀ = (2,5...3) m  8 мм,

где m – модуль передачи, мм (торцовый – для прямозубых колес и нормальный – для косозубых и шевронных).

Полученные значения d _cт и l _ст согласовывают с числовым рядом Ra 40 ГОСТ 6636 – 69 (прил. 2).

При мелкосерийном производстве (N  50 шт/год) зубчатых колес средних размеров уже экономически оправдана их ковка в простейших односторонних подкладных штампах. Ковка в односторонних подкладных штампах позволяет значительно снизить расход металла и объем механической обработки. В этом случае заготовка имеет глубокую одностороннюю выемку, а выступающую часть ступицы располагают со стороны подкладного штампа (рис. 22.3). Для свободной выемки заготовки из штампа на ее поверхностях предусматривают штамповочные уклоны   7 (ГОСТ

7505 – 55) и сопряжения поверхностей радиусом закругления R  6 мм.

Рис. 22.3. Конфигурация колес, получаемых штамповкой в односторонних

подкладных штампах

Размеры конструктивных элементов колес в этом случае определяют, согласно данным [2, с. 281], по следующим зависимостям:

 диаметр ступицы d _ст = (1,6...1,7) d _в,

 длина ступицы l _cт = (0,8...1,5) d _в ,

 толщина обода  _о = (2,5...3) m  8 мм;

 толщина диска С = (0,2...0,3) b (где b – ширина зубчатого венца колеса).

У быстроходных колес (с окружной скоростью V  12 м/c), для которых необходима балансировка, и имеющих ширину зубчатого венца не более 20m, толщину их обода _о увеличивают против расчетной на 20 . В противном случае – на 10...20 ,

В дисках колес иногда выполняют 4 – 6 отверстий (на рис. 22.3, б они показаны тонкими линиями). Для нормальной работы передачи и по технологии изготовления колес такие отверстия не нужны. Поэтому в современных конструкциях кованных и штампованных колес их, как правило, не делают.

Полученные значения d _ст и l _cт согласовывают с числовым радом Ra 40 ГОСТ 6636 – 69 (прил. 2).

В среднесерийном, крупносерийном и массовом производствах зубчатых колес средних размеров (d _a  600 мм) их заготовки получают преимущественно штамповкой в двухсторонних закрепленных штампах (рис. 22.4). Такой вид штамповки отличается высокой производительностью и максимально приближает форму заготовки к форме готового колеса. Заготовка получает достаточно чистую поверхность и не требует механической обработки нерабочих поверхностей детали.

а )

б )

в )

Рис. 22.4. Конфигурация колес, получаемых штамповкой в двухсторонних закрепленных штампах: а – с плоским днищем выемок; б – с выемкой по дуге окружности; в – с выемкой, очерченной двумя дугами окружности и плоскостью

Размеры конструктивных элементов штампованных таким образом колес определяют по зависимостям

■ диаметр ступицы d_ст = (1,6...1,7) d_в ;

■ длина ступицы l_ст = (0,8...1,5) d_в ;

■ толщина обода _о = (2,5...3) m  8 мм;

■ толщина диска С = (0,2...0,3) b; C₁ = (0,4...0,5) b;

■ углы штамповочных уклонов  = 5 , ₁  12;

■ радиусы скруглений R  5 мм, R₁  20 мм .

Масса зубчатых колес, имеющих конфигурацию, показанную на рис. 22.4, б; в, несколько больше, чем у колес с конфигурацией, представленной на рис. 22.4, а. Однако в первом случае значительно улучшаются условия пластической деформации металла при штамповке, снижается коробление зубьев при их термообработке, существенно ниже виброактив-

ность и уровень шума колес работающей передачи.

На толщину обода и конструкцию диска, в данном случае, накладывают такие же дополнения, как и в случае применения односторонних подкладных штампов.

Полученные значения d_ст и l_ст согласовывают с числовым рядом Ra 40 ГОСТ 6636 – 69 (прил. 2).

Крупные колеса (d_а  600 мм) изготавливают цельнолитыми, бандажированными, с болтовым креплением и сварные (рис. 22.5).

Рис.22.5. Конструкции крупных (d_a > 600 мм) зубчатых колес

В единичном производстве применяют сварные колеса (рис. 22.5, ж). Обод таких колес выполняют цельным или вальцованным из полос со сваркой по впадине между зубьями. Между дисками, приваренными к ободу и ступице, устанавливают ребра жесткости, которые снижают коробление колеса, вызываемое сваркой. Для уменьшения веса колеса диски и ребра имеют сквозные отверстия.

Во всех типах серийного и при массовом производстве применяют цельнолитые колеса (рис. 22.5, а – г) или имеющие болтовую конструкцию, в которой обод и центр колеса стягивают призонными (точными) болтами (рис. 22,5, е).

Бандажированные колеса (рис. 22.5, д), в которых стальной бандаж посажен с натягом на чугунный (реже стальной) центр, обеспечивают экономию качественной стали, обладают большей несущей способностью

по сравнению с цельнолитыми, но более дорогие в изготовлении. Бандаж куют или прокатывают. Широкие колеса (ширина более 500 мм) делают с двумя бандажами. Во избежание смещения бандажа, в его соединение с центром колеса ввертывают стопорные винты. Бандажированные колеса имеют такую же нагрузочную способность как и свёртные колеса, но тяжелее последних.

Цельнолитые колеса имеют широкое распространение, как менее трудоёмкие. По своей несущей способности они уступают бандажированным. До диаметра 900 мм их преимущественно выполняют однодисковыми (рис. 22.5, а – в), а при бóльших диаметрах и ширине – двухдисковыми (рис. 22.5, г).

Шестерни обязательно изготавливают за одно целое с валом (валы-шестерни), если не может быть обеспечена достаточная (по условиям прочности) толщина S (когда S  2 m, где m – модуль их зубьев) тела шестерни между впадиной зуба и пазом для шпонки или шлицем (рис. 22.6).

Рис. 22.6. Условие, необходимое для применения

насадной шестерни

В зависимости от соотношения диаметров впадин зубчатого венца шестерни и соседних участков вала зубья нарезают либо на выступающем венце (рис. 22.7, а – в), либо углубляют в тело вала частично (рис. 22.7, г) или полностью (рис. 22.7, д).

Рис. 22.7. Конструкции венцов валов-шестерен

Если диаметр впадин зубьев вала-шестерни больше (свыше 10 мм) диаметров соседних участков вала, то в целях снижения концентрации напряжений, возникающих в местах резких переходов от участка вала, где нарезаны зубья, к его соседним участкам, эти переходы выполняют ступенчатыми (рис. 22.7, а) или с выточкой, называемой поднутрением (рис. 22,7, б). Выточки способствуют также более равномерному распределению нагрузки по длине зуба.

При углублении зуба в тело вала следует учитывать участки l₁ захода и выхода фрезы (рис. 22.7, г; д). Величину l₁ определяют в зависимости от диаметра фрезы, нарезающей зубья вала-шестерни. Приближённо величину l₁ можно назначать по табл. 22.1.

Таблица 22.1.

Длина l₁, мм, участков захода и выхода фрезы, нарезающей зубья вала-шестерни [3, табл. 10.3]

Модуль зубьев вала-шестерни m, мм	Угол наклона зубьев ,град
	20	30	40
2,0	28	32	35
2,5	32	37	40
3,0	36	42	45
3,5	40	47	50
4,0	45	52	55
5,0	52	58	63
6,0	60	67	72

При единичном и мелкосерийном производствах зубчатых колес заготовкой для валов-шестерен служит круглый прокат, а при серийном и выше масштабах производства – штамповка.

Рис. 22.8. Блоки шестерен и передвижные шестерни

В коробках скоростей применяют подвижные одиночные колеса и имеющие от двух до четырёх зубчатых венцов (блоки шестерен). Примеры конструкций таких колес показаны на рис. 22.8.

В блоках шестерен предусматривают канавки для выхода режущего инструмента. В подвижных колесах часто делают канавки, где располагают передвигающие их камни или вилки. Зубья венцов подвижных колес скашивают (со стороны входа в зацепление) под углом 15...20 и закругляют для облегчения входа зубьев во впадины сопряженного колеса (рис. 22.8).